DE102005005938B4 - Resistive memory element with a shorter erase time, methods of making and memory cell arrangement - Google Patents

Resistive memory element with a shorter erase time, methods of making and memory cell arrangement

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Abstract

Resistives Speicherelement zum reversiblen Schalten zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand, welches eine reaktive Elektrode (10), eine inerte Elektrode und (9) einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyten (7) umfasst, Resistive memory element for reversibly switching between a high impedance OFF state and a low resistance state, which comprises a reactive electrode (10), an inert electrode, and (9) one disposed between the two electrodes solid electrolyte (7),
und wobei das resistive Speicherelement zusätzlich aufweist; and wherein the resistive memory element in addition;
eine auf der inerten Elektrode (9) aufgebrachte, im Wesentlichen flächige Nanopartikelstruktur aus Nanopartikeln, welche mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, derart dass Lücken (14) mit einer definierten mittleren Größe in der Nanopartikelstruktur (13) ausgebildet sind, durch welche hindurch der Festkörperelektrolyt die inerte Elektrode kontaktiert. one on the inert electrode (9) applied, essentially in such a way that gaps (14) with a defined average size in the nanoparticle structure (13) are two-dimensional nanoparticle structure of nanoparticles, which are arranged at a distance from each other is formed, through which the solid electrolyte the inert electrode contacts.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein resistives Speicherelement, insbesondere ein Festkörperelektrolytspeicherelement, welches zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand geschaltet werden kann. The present invention relates to a resistive memory element, in particular a solid electrolyte memory element, which can be switched between a high impedance OFF state and a low resistance state.
  • In modernen elektronischen Systemen werden als nichtflüchtige Speicher häufig DRAM-Speicher oder Flash-Speicher eingesetzt. In modern electronic systems often DRAM memory or Flash memory are used as non-volatile memory. Obgleich insbesondere die Flash-Speichertechnologie in den letzten Jahren eine Skalierung in den Bereich unterhalb von 100 nm erfahren hat, konnten die Nachteile dieser Speichertechnologien, wie lange Schreib-/Löschzeiten, die typischerweise im Bereich von Millisekunden liegen, hohe Schreibspannungen, die typischerweise im Bereich von 10 bis 13 V liegen und demzufolge hohe Programmierungsenergien erfordern, sowie die begrenzte Anzahl der Lese- und Schreibzyklen, bislang nicht in befriedigender Weise gelöst werden. Although particular flash memory technology has undergone a scaling in the range below 100 nm in recent years, could the disadvantages of these storage technologies, how long write / erase times, which are typically in the range of milliseconds, high write voltages typically in the range are 10 to 13 V and, consequently, require high programming energies, as well as the limited number of read and write cycles, so far not been solved in a satisfactory manner. Ferner ist anzunehmen, dass aufgrund ihres auf der Speicherung von Ladung basierenden Speichermechanismus auch diese Speichertechnologien in absehbarer Zeit an ihre Skalierungsgrenzen stoßen werden. Furthermore, it can be assumed that because of her based on the storage of charge storage mechanism these storage technologies will come in the near future to their scaling limits. Weiterhin ist das Herstellungsverfahren insbesondere der Flash-Speicherzellen aufwändig und vergleichsweise komplex. Furthermore, the particular manufacturing method of the flash memory cells is costly and relatively complex.
  • Demgegenüber stellen Speicherbausteine auf der Basis von resistiven Speicherzellen, insbesondere sog. CBRAM(Conductive Bridging RAM)-Speicherzellen bzw. Festkörperelektrolytspeicherzellen eine neue und Erfolg versprechende Technologie für halbleiterbasierte Speicherbausteine dar. Bei dieser Art von Speicherbausteinen kann eine resistive Speicherzelle mittels elektrischer Pulse zwischen einem hochohmigen Zustand ("AUS"-Zustand) und einem niedrigohmigen Zustand ("EIN"-Zustand) geschaltet werden, wodurch 1 Informationseinheit (Bit) gespeichert werden kann. In contrast, provide storage blocks on the basis of resistive memory cells, in particular so-called. CBRAM (conductive bridging RAM) memory or solid electrolyte memory cells a new and promising success technology for semiconductor-based memory devices. In this type of memory devices, a resistive memory cell, by means of electrical pulses between a high-impedance state ( "OFF" state) and a low-impedance state ( "ON" state) are switched, whereby 1 unit of information (bits) can be stored.
  • Konkret ist das Speicherelement einer resistiven CBRAM-Speicherzelle typischer Weise aus einer inerten Elektrode, einer reaktiven Elektrode, sowie einem hoch resistiven, jedoch für Ionen leitfähigen Trägermaterial (Festkörperelektrolyt), der zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, aufgebaut. Concretely, the memory element is a resistive CBRAM memory cell typically made of an inert electrode, a reactive electrode, and a highly resistive, but ion-conductive support material (solid electrolyte) arranged between these two electrodes constructed. Die beiden Elektroden bilden gemeinsam mit dem Festkörperelektrolyten ein Redoxsystem, in welchem oberhalb einer definierten Schwellspannung eine Redoxreaktion abläuft. The two electrodes form, together with the solid electrolyte, a redox system, in which above a defined threshold a redox reaction takes place. Die Redoxreaktion kann, je nach Polung einer an die beiden Elektroden angelegten Spannung, die jedoch größer als die Schwellspannung sein muss, in der einen oder der anderen Reaktionsrichtung ablaufen, wobei Metallionen erzeugt oder entladen werden. The redox reaction may, depending on the polarity of an applied voltage to the two electrodes, which must be greater than the threshold, however, run in one or the other reaction direction, wherein metal ions generated or discharged. An der reaktiven Elektrode erzeugte Metallionen werden im Festkörperelektrolyten reduziert und bilden metallische Ausscheidungen, die in ihrer Zahl und Größe zunehmen, bis sich schließlich ein die beiden Elektroden überbrückender niedrigohmiger metallischer Strompfad ausbildet. Metal ions generated at the reactive electrode are reduced in the solid electrolyte and form metallic precipitates, which increase in number and size until, finally, the two electrodes forming a bridging niedrigohmiger metallic current path. In diesem Zustand ist der elektrische Widerstand des Festkörperelektrolyten gegenüber dem hochohmigen AUS-Zustand ohne einen solchen niedrigohmigen Strompfad wesentlich, etwa um mehrere Größenordnungen verringert, wodurch der EIN-Zustand der CBRAM-Speicherzelle definiert ist. In this state, the electrical resistance of the solid electrolyte with respect to the high-impedance off state without such a low resistance current path is considerably, for example reduced by several orders of magnitude, whereby the ON state of the CBRAM memory cell is defined.
  • Hierbei sind insbesondere Chalcogenide, dh Legierungen, welche Chalcogene (Elemente der VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente) enthalten, bezüglich ihrer Tauglichkeit als Trägermaterial untersucht worden, wobei sich gezeigt hat, dass diese Legierungen besonderes gute Schalteigenschaften aufweisen. Here, in particular chalcogenides, ie alloys which chalcogens include (elements of the VI. Main group of the Periodic Table of Elements), has been studied with respect to their suitability as a carrier material, having said been found that these alloys have particularly good switching characteristics.
  • Genauere Untersuchungen des die beiden Elektroden überbrückenden, metallischen Strompfads haben gezeigt, dass gewöhnlich mehrere eigenständige metallische Brücken zwischen den beiden Elektroden ausgebildet werden. More detailed studies of the bridging the two electrodes, metallic current path have shown that usually several independent metallic bridges are formed between the two electrodes. Dies führt jedoch dazu, dass diese Brücken beim Löschvorgang (durch Anlegen einer Spannung umgekehrter Polarität wie beim Schreiben oder Programmieren der Speicherzelle) jeweils wieder aufgelöst werden müssen, dh die metallischen Ausscheidungen der metallischen Brücken zu Metallionen und Elektronen oxidiert werden müssen. However, this results in that these bridges have the erase operation (reverse by applying a voltage polarity as when writing or programming the memory cell) again in each case be resolved, that is, the metallic precipitations of the metallic bridges must be oxidized to metal ions and electrons. Aus diesem Grund ist in nachteiliger Weise eine vergleichsweise hohe Zeitspanne erforderlich, bis das resistive Speicherelement der Speicherzelle wieder seinen hochohmigen (AUS-)Zustand ohne metallische Brücken zwischen den Elektroden einnehmen kann, dh die resistive Speicherzelle gelöscht werden kann. For this reason, disadvantageously, a relatively high amount of time is required until the resistive memory element of the memory cell can take its high impedance (OFF) state without metallic bridges between the electrodes again, that is, the resistive memory cell can be erased. Während der Programmiervorgang im Bereich von Nanosekunden erfolgen, sind für den Löschprozess aus diesem Grund wesentlich längere Zeiträume notwendig. take place during the programming process in the range of nanoseconds, much longer periods are needed for the deletion process for this reason. Bislang sind noch keine Vorkehrungen oder Verfahren bekannt, durch welche eine Lösung dieses Problems herbei geführt werden kann. So far no precautions or procedures are also known by which a solution to this problem may be accomplished.
  • Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein resistives Speicherelement einer resistiven Speicherzelle zum reversiblen Schalten zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand zur Verfügung zu stellen, mit welchem der Nachteil vergleichsweise langer Löschzeiten vermieden werden kann. Accordingly, the object of the present invention is to provide a resistive memory element of a resistive memory cell for reversible switching between a high impedance OFF state and a low resistance ON state is available with which the disadvantage of relatively long erase times can be prevented.
  • Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Speicherelementes zur Verfügung gestellt werden, sowie eine Speicherzellen-Anordnung mit einem derartigen Speicherelement. Furthermore, a method for manufacturing a memory element to be provided, and a memory cell array comprising such memory element.
  • Die PCT-Anmeldung Nr. The PCT application no. WO 03/032392 A2 WO 03/032392 A2 zeigt eine programmierbare Struktur mit zwei Elektroden und einem dazwischen befindlichen Innenleiter. shows a programmable structure having two electrodes and an intervening inner conductor. Hierbei kann angrenzend an eine an der beiden Elektroden eine porenformende Barrierenschicht vorgesehen sein. In this case, may be provided adjacent to one of the two electrodes, a pore-forming barrier layer.
  • Diese und weitere Aufgaben werden durch ein resistives Speicherelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, einem Verfahren zur Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und einer Speicherzellen-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. These and other objects are achieved by a resistive memory element having the features of independent claim 1, a method for manufacturing having the features of claim 14 and a memory cell array having the features of claim 15. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben. Advantageous embodiments of the invention are given by the features of the subclaims.
  • Gemäß dem Vorschlag der Erfindung umfasst ein resistives Speicherelement (bzw. Schaltelement) zum reversiblen Schalten zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand eine reaktive Elektrode (i. A. eine metallische Elektrode bzw. Metallelektrode), eine inerte Elektrode und einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Fest körperelektrolyten. According to the proposal of the invention comprises a resistive memory element (or switching element) for reversibly switching between a high impedance OFF state and a low resistance ON state a reactive electrode (i. A. a metal electrode or metal electrode), an inert electrode and a arranged between the two electrodes solid electrolyte. Der Festkörperelektrolyt soll dabei in der Lage sein, die beiden Elektroden voneinander elektrisch zu isolieren, wenn kein metallischer Strompfad zwischen den beiden Elektroden ausgebildet ist, wodurch der hochohmige AUS-Zustand definiert ist. The solid electrolyte is intended to be able to insulate the two electrodes from each other electrically, is formed when no metallic current path between the two electrodes, whereby the high impedance OFF state is defined. Andererseits soll die reaktive Elektrode, welche gemeinsam mit dem Festkörperelektrolyten ein Redoxsystem bildet, geeignet sein, bei Anlegen eines positiven Potenzials Metallionen in den Festkörperelektrolyten abzugeben, welche im Festkörperelektrolyten reduziert werden und ausfallen ("Elektrodeposition" bzw. "Elektroabscheidung"). On the other hand, to the reactive electrode, which forms a redox system together with the solid electrolyte, to be capable of delivering metal ions upon application of a positive potential in the solid electrolyte, which are reduced in the solid electrolyte and precipitate ( "electrodeposition" or "electro-deposition"). Hierdurch kann ein die beiden Elektroden überbrückender metallischer Strompfad entstehen, nämlich dann, wenn eine Grenzkonzentration der metallischen Ausscheidungen im Festkörperelektrolyten erreicht bzw. überschritten wird, wodurch der niedrigohmige EIN-Zustand der Speicherzelle definiert ist. This allows a result, the two electrodes of metal bridging current path, namely, when a threshold concentration of the metallic precipitates is reached or exceeded in the solid electrolyte, whereby the low resistance ON state of the memory cell is defined. Der Festkörperelektrolyt kann dabei mit einem Metall dotiert sein, wozu vorzugsweise das Metall der reaktiven Elektrode verwendet wird, wobei gewährleistet sein muss, dass der Festkörperelektrolyt einen ausreichend hochohmigen elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden im AUS-Zustand der Speicherzelle ermöglicht. The solid electrolyte can thereby be doped with a metal and preferably includes the metal of the reactive electrode is used, it must be ensured that the solid electrolyte allows a sufficiently high ohmic electrical resistance between the two electrodes in the OFF state of the memory cell.
  • Das erfindungsgemäße Speicherelement zeichnet sich nun in wesentlicher Weise dadurch aus, dass im Festkörperelektrolyten eine Nanomaskenstruktur angeordnet ist, welche mit Öffnungen versehen ist, durch welche hindurch der Festkörperelektrolyt die inerte Elektrode kontaktiert. The memory element according to the invention is now distinguished in a substantial manner by the fact that a nano-mask structure is disposed in the solid electrolyte which is provided with openings through which the solid electrolyte contacts the inert electrode. In einer stark bevorzugten Ausgestaltung der Nanomaskenstruktur ist diese als eine im Wesentlichen flächige Nanopartikelstruktur auf der inerten Elektrode abgeschieden, wobei die Nanopartikel mit einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind, wodurch in der Nanomaskenstruktur (Durchgangs-)Öffnungen bzw. Lücken einer definierten mittleren Größe ausgebildet sind. In a highly preferred embodiment of the nano-mask structure, this is deposited as a substantially two-dimensional nanoparticle structure on the inert electrode, wherein the nanoparticles are disposed at a defined distance from each other, whereby the nano-mask pattern (through holes) are formed openings or gaps of a defined average size , Durch die Öffnungen der Nanopartikelstruktur gelangt der Festkörperelektrolyt in direkten (elektrischen) Kontakt mit der inerten Elektrode. Through the openings of the nanoparticle structure of the solid electrolyte is in direct (electrical) contact with the inert electrode. Derartige Nanopartikelstrukturen sind beispielsweise in RT Clay, RE Cohen; Such structures are, for example nanoparticles in RT Clay, RE Cohen; Supramol. Supramol. Scienc. Scienc. Vol 5 (1998) Seite 41 und RF Mulligan, A. Iliadis, P. Kofinas; Vol 5 (1998) page 41 and RF Mulligan, A. Iliadis, P. Kofinas; Journal Appl. Journal Appl. Polymer Science, Vol. 89 (2003), Seite 1058 beschrieben. Polymer Science, Vol. 89 (2003), page 1058 described.
  • Demnach besteht eine solche Nanopartikelstruktur im Allgemeinen aus Nanopartikeln, die miteinander in (Coulomb-) Wechselwirkung stehen und einen definierten Abstand voneinander einnehmen und auf diese Weise die Öffnungen der Nanopartikelstruktur formen. Accordingly, there is such a nanoparticle structure generally made of nanoparticles with each other (Coulomb) interaction and assume a defined distance from each other and form the openings of the nanoparticle structure in this manner. Werden geeignete Ausgangsmoleküle bzw. Elemente, wie Diblock-Copolymere, gewählt, formt sich eine Nanopartikelstruktur dabei in einer selbst-organisierten Weise nach Aufbringen einer diese enthaltenden Lösung auf ein Substrat wie die inerte Elektrode bei einem anschließenden Trocknungsvorgang. Are suitable starting molecules or elements such as diblock copolymers selected, a nanoparticle structure as the inert electrode formed thereby in a self-organized manner by applying a solution containing them to a substrate in a subsequent drying process. Erfindungsgemäß ist eine solche, in selbst-organisierter Form gebildete Nanomasken(partikel-)struktur bevorzugt auf der inerten Elektrode angeordnet. According to the invention such, formed in a self-organized manner nanomask (particle) structure is preferably arranged on the inert electrode.
  • Durch das erfindungsgemäße Speicherelement mit Nanomaskenstruktur kann in vorteilhafter Weise die Ausbildung von vergleichsweise großen metallischen Brückenclustern des die beiden Elektroden überbrückenden metallischen Strompfads insbesondere in der Nähe bzw. an der inerten Elektrode unterbunden werden. The inventive storage element with nanomask structure in an advantageous way, the formation of relatively large metallic bridge clusters of the two electrodes bridging metallic current path particularly in the vicinity or on the inert electrode can be suppressed. Insbesondere kann dadurch die Anzahl der gebildeten metallisch leitenden Brücken zwischen den beiden Elektroden als auch deren Abmessung (bzw. laterale Ausdehnung) in einer Richtung senkrecht zur feldinduzierten Driftrichtung der Metallionen zwischen den Elektroden beim Programmieren der Speicherzelle vermindert werden. Specifically, characterized the number of formed metallic conductive bridges between the two electrodes and having a dimension (or lateral dimension) in one direction can be decreased perpendicular to the field-induced drift direction of the metal ions between the electrodes when programming the memory cell. Wenn die Nanomaskenstruktur auf der inerten Elektrode aufgebracht ist, was erfindungsgemäß stark bevorzugt ist, wird die Anzahl der möglichen metallischen Brücken zwischen den Elektroden durch die Verminderung der effektiven Kontaktfläche zwischen dem Festkörperelektrolyten und der inerten Elektrode durch die Nanomaskenstruktur begrenzt. When the nano-mask pattern is applied on the inert electrode, which is according to the invention strongly preferred, the number of possible metallic bridges between the electrodes is limited by the reduction of the effective contact area between the solid electrolyte and the inert electrode through the nano-mask structure.
  • Die mittlere Größe der Öffnungen der Nanomaskenstruktur kann dabei in vorteilhafter Weise so eingestellt werden, dass die Bildung von größeren Metallbrücken-Clustern sowie die Anzahl der metallischen Brücken zwischen den Elektroden in gewünschter Weise gehemmt werden kann, da die Metallionen zur Ausbildung der Metallcluster zur Ausbildung der metallischen Brücken zwischen den Elektroden durch die Öffnungen der Nanomaskenstruktur driften müssen. The average size of the openings of the nano-mask pattern can be adjusted in an advantageous manner so that the formation of larger metal bridges clusters and the number of metal bridges between the electrodes can be restrained in the desired manner, because the metal ion to form the metal clusters to form the must drift metallic bridges between the electrodes through the openings of the nano-mask structure. Es werden also nur solche Metall-Konglomeratdimensionen vor und auf der inerten Elektrode ermöglicht, die sich in den geringen Dimensionen der Öffnungen der Nanomaskenstruktur ausbilden können. It is still only such metal conglomerate dimensions and allows for the inert electrode, which can form in the small dimensions of the openings of the nano-mask structure. Die Metallionen können nur durch die feldinduzierte Drift durch die Nanomaskenstruktur die inerte Elektrode erreichen und durch Reduktion mittels Elektronen eine durchgängige metallische Brücke errichten. The metal ions can reach the inert electrode and build by reduction by means of electron a continuous metallic bridge only by the field-induced drift through the nano-mask structure. Als Folge hiervon ist zum Löschen der Speicherzelle weniger Zeit erforderlich als wie im herkömmlichen Fall ohne eine erfindungsgemäße Nanomaskenstruktur. As a result, to erase the memory cell less time than is required as in the conventional case without an inventive nanomask structure.
  • Eine bevorzugte mittlere Größe der Öffnungen in der Nanopartikelstruktur liegt dabei im Bereich von ca. 3 nm bis ca. 15 nm, wobei gleichermaßen bevorzugt, die mittlere Größe der Nanopartikel im Wesentlichen der mittleren Größe der Öffnungen in der Nanomaskenstruktur entsprechen kann. A preferred average size of the openings in the nanoparticle structure is in the range of about 3 nm to about 15 nm, preferably equal, the average size of the nanoparticles can substantially correspond to the average size of openings in the mask nano structure.
  • Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn die Nanomaskenstruktur aus einem elektrisch isolierenden Material, z. Furthermore, it is preferable in the invention, when the nano-mask structure made of an electrically insulating material, eg. B. ein Oxid, besteht. As an oxide, is composed. Für eine hinreichende Isolationswirkung der Nanomaskenstruktur ist es vorteilhaft, wenn die Schichtdicke der im Wesentlichen flächigen Nanomaskenstruktur im Bereich von ca. 2,5 nm bis ca. 5 nm liegt. For a sufficient insulating effect of the nano-mask structure, it is advantageous if the layer thickness of the essentially flat nanomask structure in the range of about 2.5 nm to about 5 nm.
  • Wie weiter oben bereits ausgeführt wurde, bilden die Elektroden und der Festkörperelektrolyt gemeinsam ein Redox-System, in welchem oberhalb einer definierten Schwellspannung (V th ) eine Redoxreaktion abläuft, die zur Ausbildung eines die beiden Elektroden elektrisch verbindenden, niederohmigen metallischen Strompfads führt. As previously stated above, the electrodes and the solid electrolyte together form a redox system in which above a defined threshold voltage (V th) of a redox reaction takes place which leads to the formation of the two electrodes electrically connecting, low resistance metallic current path. Der Festkörperelektrolyt ist dabei für die Metallionen der reaktiven Elektrode leitfähig, jedoch sollte klar sein, dass erfindungsgemäß und in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Verständnis auf dem technischen Gebiet ein "elektrisch leitender Zustand" einen Elektronenstrom ermöglicht, welcher als verschieden von dem "ionenleitenden Zustand" des Festkörperelektrolyten ohne niederohmigen Strompfad angesehen werden muss. The solid electrolyte is conductive to the metal ions of the reactive electrode, it should be understood that according to the invention and in accordance with the general understanding in the art a "electrically conductive state," a current of electrons enables that as distinct from the "ion-conductive state" of the solid electrolyte without low impedance path must be considered. Aus diesem Grund kann der Festkörperelektrolyt, obgleich er ionenleitend ist, die beiden Elektroden voneinander elektrisch isolieren, dh einen hinreichend hochohmigen Widerstand zwischen den beiden Elektroden darstellen, um den AUS-Zustand des Schaltelements zu definieren. For this reason, the solid-state electrolyte, although it is ionically conductive, electrically insulate the two electrodes from each other, ie, a sufficiently high resistance between the two electrodes constitute to define the OFF state of the switching element.
  • Wird ein anodisches Potenzial (positiver Pol einer elektrischen Spannung), welches höher ist als das Redoxpotenzial des Redoxsystems reaktive Elektrode/Festkörperelektrolyt, an die reaktive Elektrode angelegt, so wird die reaktive Elektrode oxidiert und Metallionen erzeugt, die in den Festkörperelektrolyten abgegeben werden. Is an anodic potential (positive pole of an electrical voltage) which is higher than the redox potential of the redox reactive electrode / solid electrolyte is applied to the reactive electrode, the reactive electrode is oxidized and generates metal ions that are released into the solid electrolyte. Das Redoxpotenzial definiert die Schwellspannung zum Starten der Redoxreaktion. The redox potential defines the threshold for starting the redox reaction. Eine "reaktive Elektrode" im Sinne der Erfindung ist somit in der Lage, Metallionen zu erzeugen (bzw. zu vernichten), wenn eine geeignet gepolte Spannung an die beiden Elektroden angelegt wird, die höher ist als die Schwellspannung. A "reactive electrode" in the sense of the invention is thus able to generate metal ions (or destroyed) when a suitable polarity voltage is applied to the two electrodes is higher than the threshold voltage. Im Unterschied hierzu ist eine "inerte Elektrode" im Sinne der Erfindung als Elektrode definiert, die nicht in der Lage ist, Metallionen zu erzeugen, wenn die oben bezeichnete Schwellspannung an die beiden Elektroden angelegt wird, dh das Material der inerten Elektrode ist so gewählt, dass dessen Redoxpotenzial in Verbindung mit dem Festkörperelektrolyten jedenfalls höher ist als jenes des Materials der reaktiven Elektrode. In contrast, a defined "inert" electrode according to the invention as an electrode which is not able to generate metal ions when the above-referred threshold voltage is applied to the two electrodes, ie, the material of the inert electrode is selected so that its redox potential in connection with the solid electrolyte is in any case higher than that of the material of the reactive electrode. Das Material der inerten Elektrode ist ferner so gewählt, dass es mit dem Festkörperelektrolyten chemisch nicht reagiert. The material of the inert electrode is further chosen so that it does not react chemically with the solid electrolyte.
  • Bei dem Festkörperelektrolyten des erfindungsgemäßen Speicherelements handelt es sich um ein ionenleitfähiges Material, welches eine gute Ionenleitfähigkeit für die Metallionen der reaktiven Elektrode aufweist bzw. durch Erwärmen in einen solchen Zustand gebracht werden kann. In the solid electrolyte of the memory element of the invention is an ion conductive material having good ion conductivity for the metal ions of the reactive electrode or can be brought by heating in such a state. Ein solcher Festkörperelektrolyt ist vorteilhaft in einem bestimmten Temperaturintervall ein halbleitendes Material. Such a solid electrolyte is advantageous in a certain temperature interval a semiconductive material. Besonders bevorzugt umfasst der Festkörperelektrolyt eine Legierung, die wenigstens ein Chalcogen, dh ein Element der VI. Particularly preferably, the solid electrolyte comprises an alloy containing at least one chalcogen, ie an element of VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, wie O, S, Se, Te, enthält. Main group of the periodic table of elements, such as O, S, Se, Te. Bei einer Chalcogenid-Legierung kann es sich beispielsweise um Ag-S, Ag-Se, Ni-S, Cr-S, Co-S, Ge-S, GeSe, Cu-S oder Cu-Se handeln. In a chalcogenide alloy may Cr-S, Co-S, Ge-S, GeSe, Cu-S or involve Ag-S, Ag-Se, Ni-S, Cu-Se, for example. Erfindungsgemäß kann es sich bei dem Festkörperelektrolyten des Schaltelements auch um ein poröses Metalloxid, wie AlO x , WO x , Al 2 O 3 , oder TiO x handeln. According to the invention may be in the solid electrolyte of the switching element and a porous metal oxide such as AlO x, WO x, Al 2 O 3, or TiO x.
  • Die obigen Aufzählungen für den Festkörperelektrolyten sollen die Erfindung hierauf nicht einschränken. The above mentioned of the solid electrolyte are the invention is not so limiting. Vielmehr kann im Allgemeinen jeder Festkörperelektrolyt eingesetzt werden, solange er das gewünschte elektrische Verhalten zeigt, so wie es weiter oben im Einzelnen dargestellt ist. Rather, in general, any solid electrolyte may be used as long as it exhibits the desired electrical performance, as it is shown in detail above.
  • Bei dem Material der reaktiven Elektrode kann es sich um ein Metall handeln, welches beispielsweise aus Cu, Ag, Al, Au, Ni, Cr, V, Ti oder Zn gewählt ist. The material of the reactive electrode may be a metal which is selected for example from Cu, Ag, Al, Au, Ni, Cr, V, Ti or Zn. Die inerte Elektrode kann aus einem Material bestehen, welches beispielsweise aus W, Mo, Ti, Ta, TiN, dotiertes Si und Pt gewählt ist. The inert electrode may consist of a material which is selected for example from W, Mo, Ti, Ta, TiN, doped Si and Pt.
  • Der Festkörperelektrolyt kann insbesondere mit einem Metall dotiert sein, welches vorzugsweise das gleiche Metall ist, wie jenes der reaktiven Elektrode. The solid electrolyte may in particular be doped with a metal, which is preferably the same metal as that of the reactive electrode. Er kann jedoch auch mit anderen metallischen Elementen dotiert sein, um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren. However, it can also be doped with other metallic elements to optimize the electrical properties. Bei Vorliegen einer sol chen Dotierung kann in vorteilhafter Weise die Zeitspanne zum Erstellen eines niederohmigen Strompfads zur Überbrückung beider Elektroden verringert werden, da anschaulich gesprochen lediglich die verbleibenden "Lücken" zwischen angrenzenden Metallpräzipitaten mit Metall von der reaktiven Elektrode aufgefüllt werden müssen. In the presence of sol chen doping advantageously the time period to create a low-impedance current path for bridging the two electrodes can be reduced, since visual terms, only the remaining "gaps" between adjacent Metallpräzipitaten must be filled with metal from the reactive electrode. Auf diese Weise kann die Antwortzeit des Schaltelements verringert werden. In this way, the response time of the switching element can be reduced. Gleichwohl muss jedoch dafür Sorge getragen sein, dass die Isolationseigenschaft des Festkörperelektrolyten durch die Dotierung nicht beeinträchtigt wird. but nevertheless must be taken care to the insulating property of the solid electrolyte is not affected by the doping.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Speicherelements wird vorzugsweise so durchgefürt, dass zunächst ein erstes elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial auf ein Substrat aufgebracht und zur Ausbildung der inerten Elektrode strukturiert wird. A method for producing a storage element according to the invention is preferably durchgefürt that is initially applied a first electrically conductive electrode material to a substrate and patterned to form the inert electrode. Das Substrat ist mit wengistens einer aktiven Struktur (Transistor) versehen, die in elektrisch leitender Verbindung mit der inerten Elektrode ist. The substrate is provided with wengistens an active structure (transistor) which is in electrically conductive connection with the inert electrode. Anschließend wird eine Nanomaskenstruktur auf der inerten Elektrode ausgebildet, was vorzugszweise in der Weise erfolgt, dass eine Nanopartikel (vorzugsweise Diblock-Copolymere) enthaltende Lösung auf die inerte Elektrode aufgebracht wird, wobei sich bei einem anschließenden Trocknungsvorgang die Nanomaskenstruktur in einer selbst-organisierten Form ausbildet. Thereafter, a nano-mask pattern on the inert electrode is formed, which is done vorzugszweise in such a way that nanoparticles (preferably diblock copolymers) solution containing on the inert electrode is applied, wherein the nano-mask pattern is formed in a subsequent drying process in a self-organized form , Anschließend wird der Festköperelektrolyt auf der Nanopartikelstruktur abgeschieden, gefolgt von der Abscheidung eines zweiten elektrisch leitenden Elektrodenmaterials, welches zur Ausbildung einer reaktiven Elektrode strukturiert wird. Subsequently, the solid state electrolyte is deposited on the nanoparticle structure, followed by deposition of a second electrically conductive electrode material which is patterned to form an reactive electrode. Das Material des Festkörperelektrolyten und der inerten sowie reaktiven Elektroden ist dabei so gewählt, dass den weiter oben dargelegten Anforderungen zur Ausbildung eines geeigneten Redox-Systems genüge getan ist. The material of the solid electrolyte and the inert and reactive electrodes is selected such that the requirements outlined above is sufficient for the formation of a suitable redox system is done.
  • Das erfindungsgemäße Speicherelement kann in einer Speicherzellen-Anordnung zur Herstellung eines CBRAM-Speichers angeordnet sein. The memory element according to the invention can be arranged in a memory cell array for producing a CBRAM memory.
  • Die Erfindung wird nun näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. The invention will now be explained in more detail, reference being made to the accompanying drawings. Gleiche bzw. gleichwirkende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Identical or similar elements bear the same references.
  • 1 1 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer CBRAM-Speicherzelle mit einer "active in via"-Struktur; shows a schematic perspective view of a CBRAM memory cell with an "active in via" structure;
  • 2A 2A - 2C 2C zeigen jeweils schematische Perspektivansichten eines CBRAM-Speicherelements bei der Bildung bzw. Auflösung des metallischen Strompfads; respectively show schematic perspective views of a CBRAM memory element in the formation and dissolution of the metallic current path;
  • 3 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen CBRAM-Speicherelements; shows a schematic cross section of an inventive CBRAM memory element;
  • 4 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen CBRAM-Speicherelements von shows a schematic cross section of the CBRAM memory element of the invention of 3 3 , wobei Nanomaskenstruktur hervorgehoben ist; Wherein nanomask structure is highlighted;
  • 5A 5A - 5B 5B zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanopartikelstrukturen. show electron micrographs of nanoparticle structures.
  • In In 1 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer CBRAM-Speicherzelle mit einer "active in via"-Struktur dargestellt, wodurch ein beispielhafter Aufbau der Speicherzelle erkennbar ist. is shown a schematic perspective view of a CBRAM memory cell with an "active in via" structure, whereby an exemplary configuration of the memory cell can be seen. Demnach ist auf einem Substrat Accordingly, on a substrate 1 1 aus beispielsweise Silizium eine Isolationsschicht from for example, silicon, an insulating layer 2 2 abgeschieden, auf welcher eine Metallisierung deposited, on which a metalization 3 3 (Level n) ausgebildet ist. (Level n) is formed. Die Metallisierung metallization 3 3 ist dabei in einem elektrisch leitenden Kontakt mit einer aktiven Struktur (Transistor) in dem Substrat is in an electrically conductive contact with an active structure (transistor) in the substrate 1 1 , was in What in 1 1 nicht näher dargestellt ist. is not shown in detail. Auf der Metallisierung On the metallization 3 3 ist eine weitere Isolationsschicht is another insulating layer 4 4 abgeschieden, in der ein Loch (Via) deposited in a hole (Via) 8 8th herausgeätzt ist. is etched out. In das Loch In the hole 8 8th wurde zunächst ein Festköperelektrolyt first a solid-state electrolyte 7 7 abgeschieden und anschließend rückgeätzt, und anschließend ein Silber (Ag)-reiches Material deposited and then etched back, and then a silver (Ag) -rich material 6 6 abgeschieden und planarisiert. deposited and planarized. An stelle von Silber kann jedes andere geeignete Metall zur Ausbildung einer reaktiven Elektrode verwendet werden. In place of silver, any other suitable metal may be used to form a reactive electrode. Anschließend wurde auf der Isolationsschicht Then, on the insulating layer 4 4 oberhalb des verfüllten Lochs above the filled hole 8 8th eine weitere Metallisierung another metallization 5 5 (Level n + 1) abgeschieden, welche in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Ag-reichen Material (Level n + 1) is deposited, which is in electrically conductive contact with the Ag-rich material 6 6 ist. is. Eine inerte Elektrode der CBRAM-Speicherzelle wird demnach durch die Metallisierung Accordingly, an inert electrode of the CBRAM memory cell is determined by the metallization 3 3 (Level n) geformt, während eine reaktive Elektrode der CBRAM-Speicherzelle die darüber liegende Metallisierung shaped (level n), while a reactive electrode of the CBRAM memory cell, the overlying metallization 5 5 (Level n + 1) in Verbindung mit dem im Via (N + 1 Level) in connection with the in Via 8 8th befindlichen Ag-reichen Material located Ag-rich material 6 6 geformt wird. is formed.
  • Die The 2A 2A bis to 2C 2C zeigen jeweils schematische Perspektivansichten eines CBRAM-Speicherelements, wodurch die Bildung bzw. Auflösung des metallischen Strompfads zwischen der inerten Elektrode und der reaktiven Elektrode veranschaulicht wird. respectively show schematic perspective views of a CBRAM memory element, whereby the formation or dissolution of said metallic current path between the inert electrode and the reactive electrode is illustrated. Das Speicherelement besteht dabei aus einer bodenseitigen inerten Elektrode The memory element consists of a bottom inert electrode 9 9 , einer deckseitigen reaktiven Elektrode , A deck side reactive electrode 10 10 und dazwischen befindlichen Festkörperelektrolyten Solid electrolyte and intermediate 7 7 . , In In 2A 2A ist eine Situation dargestellt, in der im Festkörperelektrolyten illustrates a situation in which the solid electrolyte 7 7 keine metallische Brücke (Strompfad) zwischen den beiden Elektroden ausgebildet ist. no metallic bridge (current path) is formed between the two electrodes. Demnach befindet sich das Speicherelement (bzw. die Speicherzelle) in ihrem hochohmigen (AUS-)Zustand. Accordingly, the memory element (or the memory cell) is in its high impedance (OFF) state. Wird nun der positive Pol (+) einer Spannungsquelle an die reaktive Elektrode If now the positive pole (+) of a voltage source to the reactive electrode 10 10 angelegt, so werden Metallionen an der reaktiven Elektrode is applied, the metal ions are at the reactive electrode 10 10 oxidiert und in den Festkörperelektrolyten oxidized and in the solid electrolyte 7 7 abgegeben, wo sie reduziert werden und unter Bildung von Metallclustern in der Driftrichtung der Metallionen, welche durch das angelegte Feld zwischen den beiden Elektroden vorgegeben ist, ausfallen ( dispensed, where they are reduced and the formation of metal clusters in the drift direction of the metal ions, which is predetermined by the applied field between the two electrodes, fail ( 2B 2 B ). ). In dem gezeigten Beispiel sind als Metallionen Ag + -Ionen gewählt, was jedoch nicht einschränkend aufzufassen ist. In the example shown, are selected as metal ions Ag + ions, but this is not intended to be limiting. In diesem Fall ist metallisches Ag zumindest anteilig in der reaktiven Elektrode In this case, metallic Ag is at least partially in the reactive electrode 10 10 vorhanden, bzw. die reaktive Elektrode present, or the reactive electrode 10 10 ist gänzlich eine Ag-Elektrode. is entirely a Ag electrode.
  • In In 2C 2C ist eine Situation gezeigt, in der die metallischen Ag-Ausscheidungen so an Zahl und Größe zugenommen haben, dass sich eine metallische Ag-Brücke is shown a situation in which the metallic Ag precipitates have so grown in number and size that a metallic Ag Bridge 11 11 zwischen der inerten Elektrode between the inert electrode 9 9 und der reaktiven Elektrode and the reactive electrode 10 10 ausbildet. formed. In diesem Fall befindet sich das Speicherelement in seinem niedrigohmigen (EIN-)Zustand. In this case, there is the memory element in its low resistance (ON) state.
  • In den In the 2A 2A bis to 2C 2C ist die Abfolge, durch welche das Speicherelement von dem hochohmigen Zustand in den niedrigohmigen Zustand überführt wird, durch den über den Figuren dargestellten Pfeil symbolisiert. is the sequence by which the memory element from the high resistance state to the low resistance state is transferred, symbolized by the illustrated via FIGS arrow. Der unter den Figuren dargestellte Pfeil symbolisiert die Abfolge, durch welche das Speicherelement von dem niedrigohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand überführt wird, indem die metallische Brücke The arrow shown at the figures symbolizes the sequence by which the memory element from the low resistance state is shifted to the high impedance state by the metal bridge 11 11 durch Oxidation der metallischen Ag-Ausscheidungen wieder aufgelöst wird. is dissolved again by oxidation of the metallic Ag precipitates. Dies wird erreicht, indem die reaktive Elektrode This is achieved by the reactive electrode 10 10 mit dem negativen Pol (–) einer Spannungsquelle verbunden wird. is connected to a voltage source - to the negative pole (). Um das Speicherelement zwischen den EIN- und AUS-Zuständen zu schalten, ist erforderlich, dass das an der reaktiven Elektrode In order to switch the memory element between the ON and OFF states is required that at the reactive electrode 10 10 anliegende Potenzial einen bestimmten Schwellwert, der sich aus dem Redoxpotenzial des Redoxsystems reaktive Elektrode/Festkörperelektrolyt ergibt, übersteigt. potential applied a certain threshold, the reactive electrode / solid electrolyte resulting from the redox potential of the redox system requirements.
  • 3 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen CBRAM-Speicherelements. shows a schematic cross section of an inventive CBRAM memory element. Demnach ist auf einer inerten Elektrode Accordingly, in an inert electrode 9 9 eine Nanomaskenstruktur a nano mask structure 13 13 abgeschieden, auf welcher sich der Festkörperelektrolyt deposited, on which the solid electrolyte 7 7 befindet, auf dem wiederum die reaktive Elektrode is, on the turn the reactive electrode 10 10 abgeschieden ist. is deposited. Die Nanomaskenstruktur ist mit Öffnungen The nanomask structure with openings 14 14 versehen, durch welche der Festkörperelektrolyt , through which the solid electrolyte 7 7 in Form von "Stegen" in the form of "webs" 12 12 Kontakt mit der inerten Elektrode Contact with the inert electrode 9 9 hat. Has. Die Stapelstruktur aus inerterter Elektrode The stack structure of electrode inerterter 9 9 , Nanomaskenstruktur , Nanomask structure 13 13 , Festkörperelektrolyt , Solid electrolyte 7 7 und reaktiver Elektrode and reactive electrode 10 10 ist dabei in einem Isolator is in an insulator 11 11 eingebettet. embedded.
  • 4 4 zeigt einen schematischen Querschnitt des erfindungsgemäßen CBRAM-Speicherelements von shows a schematic cross section of the CBRAM memory element of the invention of 3 3 , wobei die Nanomaskenstruktur hervorgehoben ist. Wherein the nano-mask pattern is highlighted. Dabei ist in Draufsicht links von der gestrichelten senkrechten Linie ein programmierter Zustand des Speicherelements dargestellt, in welcher eine metallische Brücke In this case, in plan view to the left of the dashed vertical line a programmed state of the memory element is illustrated in which a metallic bridge 11 11 zwischen der inerten Elektrode between the inert electrode 9 9 und der reaktiven Elektrode and the reactive electrode 10 10 ausgebildet ist. is trained. Die laterale Abmessung der metallischen Brücke The lateral dimension of the metallic bridge 11 11 in einer zur Driftrichtung, welche durch das elektrische Feld zwischen inerter und reaktiver Elektrode vorgegebenen ist, der Metallionen senkrechten Richtung ist dabei durch die in der gleichen Richtung bestimmte Breite der Öffnung in the drift direction, which is predetermined by the electric field between inert and reactive electrode, the metal ions vertical direction is determined by the in the same direction width of the opening 14 14 der Nanomaskenstruktur the nanomask structure 13 13 eingeschränkt bzw. vorgegeben. limited or predefined. In Draufsicht rechts von der gestrichelten senkrechten Linie ist eine Situation dargestellt, in der durch Verbinden der reaktiven Elektrode In plan view, the right of the dashed vertical line shows a situation in which by connecting the reactive electrode 10 10 mit dem negativen (–) Pol einer Spannungsquelle die metallische Brücke to the negative (-) pole of a voltage source, the metallic bridge 11 11 durch Reoxidation der metallischen Ausscheidungen zu Metallionen (Ag + ) und Elektronen (e ) aufgelöst wird. by reoxidation of the metallic precipitates to metal ions (Ag +) and electrons (e -) is dissolved. Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Silber als Metall für die reaktive Elektrode lediglich beispielhaft aufzufassen. As already mentioned, the use of silver is to be construed by way of example as the metal for the reactive electrode only.
  • Der Aufbau der erfindungsgemäßen Speicherzelle bzw. Speicherelement kann in vertikaler oder horizontaler Ausführung auf dem (Halbleiter-)substrat realisiert sein, und zwar unabhängig von den gewählten Elekrodenmaterialien und der Diffusionsmatrix (Festkörperelektrolyt), sowie der Nanomaskenstruktur. The structure of the memory cell or memory element according to the invention may be implemented in substrate vertical or horizontal version of the (solid state), regardless of the selected Elekrodenmaterialien and the diffusion matrix (solid electrolyte), as well as of the nano-mask structure. In eine bevorzugten Ausführungsform ist die inerte Elektrode aus einem hochschmelzenden Material wie z. In a preferred embodiment, the inert electrode is made of a refractory material such. B. W, Mo, Ti zu wählen, das einen ohm'schem Kontakt mit einer z. to choose as W, Mo, Ti, having an ohmic contact with a z. B. Ag-dotierten Chalcogenidlegierung bildet. forms as Ag-doped chalcogenide alloy. Vorteilhaft wird als Material für die reaktive Elektrode Ag oder Cu verwendet. is used as a material for the reactive electrode Ag or Cu is advantageous.
  • Die Herstellung der sandwichartige Struktur des Speicherelements kann erfolgen durch Abscheiden einer ersten Schicht aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Mo oder W, mittels einem herkömmlichen Sputterverfahren oder einem ande ren beliebigen Abscheideverfahren (wie Aufdampfen, CVD-Verfahren, PLD usw.). The production of the sandwich-like structure of the memory element can be done by depositing a first layer of electrically conductive material such as Mo or W, by means of a conventional sputtering method or a ande ren any deposition (such as vapor deposition, CVD, PLD, etc.). Das Material kann beispielsweise in ein vorher geätztes Loch abgeschieden werden und dann mittels chemisch-mechanischem Polieren (CMP) planarisiert werden. The material may be deposited, for example, in a pre-etched hole and then using chemical mechanical polishing (CMP) to be planarized. Jedoch sind auch alternative Strukturierungsverfahren, wie Abscheiden und anschließendes Ätzen des Elektrodenmaterials, möglich. However, alternative patterning methods such as deposition and subsequent etching of the electrode material, possible. Im Weiteren kann die so gefertigte bodenseitige inerte Elektrode mit einem Dielektrikum beschichtet werden, durch welches anschließend ein Loch geätzt wird, so dass das daraufhin abgeschiedene Festkörperelektrolytmaterial eine direkten (elektrischen) Kontakt zur inerten Elektrode aufweist. Furthermore, the so-made bottom inert electrode may be coated with a dielectric, then through which a hole is etched such that the subsequently deposited solid electrolyte material has a direct (electrical) contact with the inert electrode. Neben der Via-Struktur ist es ebenso möglich, die inerte Elektrode in einer so genannten Stecker-(Plug-)Form auszubilden, indem mittels lithographischer Methoden eine steckerförmige bodenseitige inerte Elektrode erzeugt wird, über die nachfolgend eine Isolierschicht (z. B. SiO 2 oder SiN) abgeschieden wird. In addition to the via structure, it is also possible to use the inert electrode in a so-called plug (plug) to form shape by a plug-shaped bottom inert electrode is produced by means of lithographic methods that subsequently an insulating layer (eg., SiO 2 or SiN) is deposited. Diese Isolierschicht wird über der bodenseitigen inerten Elektrode mittels z. This insulating layer is deposited over the bottom electrode by means of inert z. B. CMP entfernt, so dass die inerte Elektrode eingebettet in der Isolierschicht nach oben offen mit der Nanomaskenstruktur belegt werden kann. B. CMP removed so that the inert electrode may be embedded in the insulating layer open at the top covered with the nano-mask structure.
  • Die Herstellung einer oxidischen Nanomaskenstruktur, wie sie auch in dem erfindungsgemäßen Speicherelement einsetzbar ist, ist in den eingangs genannten Druckschriften am Beispiel von ZnO ausführlich beschrieben. The Preparation of oxidic nano-mask pattern, as can be used in the inventive memory element is described in detail in the publications mentioned for ZnO. Ausgangssubstanzen für die Synthese sind Diblock-Copolymere, bestehend aus Polynorboren und Poly-norboren-dicarboxylsäure. Starting materials for the synthesis are diblock copolymers consisting of Polynorboren and Polynorboren-dicarboxylic acid. Diese Copolymere bilden die Vorlage für die Nanopartikelstruktur (Nanomaskenstruktur). These copolymers form the template for the nanoparticle structure (nano-mask structure). Nach der Synthese des Copolymers wird dieses nach dem Trocknen wieder in Lösung gebracht, in welche dann eine dementsprechende stöchiometrische Menge ZnCl 2 , die ebenfalls in Lösung in Tetrahydrofuran (THF) befindlich ist, eingebracht wird. After the synthesis of the copolymer this is brought after drying back into solution, which is then in a corresponding stoichiometric amount of ZnCl 2, which is located also in solution in tetrahydrofuran (THF) were charged. Die Zn 2+ -Ionen verbinden sich in der Lösung mit den Carboxylgruppen des zweiten Copolymers im Block. The Zn 2+ ions in the solution combine with the carboxyl groups of the second copolymer in the block.
  • Wird diese Lösung auf ein Substrat aufgebracht, wie beispielsweise eine inerte Elektrodenschicht aus W, wächst die Schicht in einem selbst-organisierten Prozess in hexagonal geordneter Weise. When this solution is applied to a substrate, such as an inert electrode layer made of W, growing the layer in a self-organized process in hexagonal orderly manner. Dabei kann die Lösung mittels Schleudern aufgebracht werden, oder das Substrat (Wafer) kann in die Lösung getaucht werden. The solution may be applied by spin coating, or the substrate (wafer) can be immersed in the solution. Das Metallsalz kann mittel NH 4 OH-Lauge in ein Metalloxid umgewandelt werden und das Copolymer kann mittels Plasma-Ashing entfernt werden. The metal salt may medium NH 4 OH liquor are converted into a metal oxide and the copolymer may be removed by plasma ashing. Nach dieser Prozedur verbleibt auf dem Substrat (Wafer) eine Nanomaskenstruktur, die aus Nanopartikeln gebildet ist. After this procedure, remains on the substrate (wafer) a nano-mask pattern, which is formed from nanoparticles. Die Partikelgröße und die Nanomaskenöffnungen lassen sich typisch in Dimensionen zwischen 3 nm und 15 nm variieren (siehe K. Landfenster, SFB 569 (TP G2), Uni Ulm, 2004). The particle size and the nano-mask openings can be typical in dimensions ranging between 3 nm and 15 nm vary (see K. Land window, SFB 569 (TP G2), University of Ulm, 2004). Die weitere Abscheidung des Festkörperelektrolyten, beispielsweise ein Chalcogenidmaterial, kann mittels eines Sputterverfahrens oder mittels eines CVD- oder ALD-Verfahrens erfolgen. The further deposition of the solid electrolyte, for example a chalcogenide material, can be carried out by a sputtering method or by means of a CVD or ALD process. Nach dem Aufbringen einer beispielsweise Ag-Dotierschicht mittels Sputtern in einer Ar-Atmosphäre erfolgt eine Photodiffusion der Ag-Dotierschicht in die Festkörperelektrolytschicht hinein. After application of a, for example, Ag-doping layer by means of sputtering in an Ar atmosphere, a photon diffusion of Ag-doping layer is carried into the solid electrolyte layer. Die so hergestellte Schichtenfolge wird dann mittels Abscheiden in einem Sputterprozess eines zweiten Elektrodenmaterials für die reaktive Elektrode zum Speicherelement vervollständigt. The layer sequence thus prepared is then completed to the memory element by depositing in a sputtering process of a second electrode material for the reactive electrode.
  • In den In the 5A 5A und and 5B 5B sind jeweils elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanopartikelstrukturen gezeigt, welche in der oben beschriebenen Weise hergestellt wurden. each electron micrographs are shown of nanoparticle structures which were prepared in the manner described above. Hierbei zeigt die Here is the 5A 5A eine Nanopartikelstruktur, bei welcher die Nanopartikel (helle Stellen) einen mittleren Abstand von 2,9 nm einnehmen, so dass die Nanomaskenstruktur eine mittlere Größe der Öffnungen von 2,9 nm aufweist. , So that the nano-mask structure comprising a nanoparticle structure in which the nanoparticles (bright spots) are taking an average distance of 2.9 nm, an average size of the apertures of 2.9 nm. In In 5B 5B ist in entsprechender Weise eine Nanomaskenstruktur mit einer mittleren Größe der Öffnungen von 7,9 nm gezeigt. is shown in a corresponding manner, a nano-mask structure having an average size of the apertures of 7.9 nm.
  • 1 1
    Substrat substratum
    2 2
    Dielektrikum dielectric
    3 3
    Metallisierung metallization
    4 4
    Dielektrikum dielectric
    5 5
    Metallisierung metallization
    6 6
    Ag-reiche Schicht Ag-rich layer
    7 7
    Festkörperelektrolyt Solid electrolyte
    8 8th
    Via Via
    9 9
    inerte Elektrode inert electrode
    10 10
    reaktive Elektrode reactive electrode
    11 11
    Ag-Brücke Ag Bridge
    12 12
    Festkörperelektrolytstege Solid electrolyte bridges
    13 13
    Nanomaskenstruktur Nanomask structure
    14 14
    Öffnungen in Nanomaskenstruktur Nano openings in the mask structure

Claims (14)

  1. Resistives Speicherelement zum reversiblen Schalten zwischen einem hochohmigen AUS-Zustand und einem niedrigohmigen EIN-Zustand, welches eine reaktive Elektrode ( Resistive memory element for reversibly switching between a high impedance OFF state and a low resistance state, which comprises (a reactive electrode 10 10 ), eine inerte Elektrode und ( ), And an inert electrode ( 9 9 ) einen zwischen den beiden Elektroden angeordneten Festkörperelektrolyten ( ) One disposed between the two electrodes solid electrolyte ( 7 7 ) umfasst, und wobei das resistive Speicherelement zusätzlich aufweist; ), And wherein in addition the resistive memory element; eine auf der inerten Elektrode ( a (on the inert electrode 9 9 ) aufgebrachte, im Wesentlichen flächige Nanopartikelstruktur aus Nanopartikeln, welche mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, derart dass Lücken ( ) Applied substantially planar nanoparticle structure of nanoparticles, which are arranged at a distance from each other such that gaps ( 14 14 ) mit einer definierten mittleren Größe in der Nanopartikelstruktur ( ) (With a defined average size in the nanoparticle structure 13 13 ) ausgebildet sind, durch welche hindurch der Festkörperelektrolyt die inerte Elektrode kontaktiert. ) Are formed, through which the solid electrolyte contacts the inert electrode.
  2. Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe der Lücken in der Nanopartikelstruktur im Bereich von 3 nm bis 15 nm liegt. The memory element of claim 1, characterized in that the average size of the gaps in the nanoparticle structure in the range of 3 nm to 15 nm.
  3. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Größe der Nanopartikel im Wesentlichen der mittleren Größe der Lücken in der Nanopartikelstruktur entspricht. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that an average size of the nanoparticles substantially corresponds to the average size of the gaps in the nanoparticle structure.
  4. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikelstruktur aus einem elektrisch isolierenden Material besteht. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the nanoparticle structure is composed of an electrically insulating material.
  5. Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel ein Oxid sind. The memory element of claim 4, characterized in that the nanoparticles are an oxide.
  6. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Nanompartikelstruktur im Bereich von 2,5 nm bis 5 nm liegt. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that a layer thickness of the Nanompartikelstruktur ranging from 2.5 nm to 5 nm.
  7. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt wenigstens eine, wenigstens ein Chalcogen enthaltende Legierung, wie Ag-S, Ag-Se, Ni-S, Cr-S, Co-S, Te-S, Te-Se, Ge-S, GeSe, Cu-S oder Cu-Se, umfasst. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the solid electrolyte at least one, at least one chalcogen-containing alloy such as Ag-S, Ag-Se, Ni-S, Cr-S, Co-S, Te-S, Te-Se , Ge-S, GeSe, Cu-S or Cu-Se comprising.
  8. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt wenigstens ein poröses Metalloxid, wie Al-O x , WO x , oder TiO x , umfasst. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the solid electrolyte comprises at least one porous metal oxide, such as Al-O x, WO x, or TiO x.
  9. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Elektrode wenigstens ein Metall aus der Gruppe, bestehend aus Cu, Ag, Al, Au, Ni, Cr, V, Ti und Zn, enthält. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the reactive electrode at least Ag, Al, Au, Ni, Cr, V, Ti, and Zn contains a metal selected from the group consisting of Cu,.
  10. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Elektrode wenigstens ein Material aus der Gruppe, bestehend aus W, Mo, Ti, Ta, TiN, dotiertes Si und Pt, enthält. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the inert electrode, doped Si and Pt containing at least one material selected from the group consisting of W, Mo, Ti, Ta, TiN.
  11. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt mit wenigstens einem Metall dotiert ist. The memory element of one of the preceding claims, characterized in that the solid electrolyte comprising at least one metal is doped.
  12. Speicherelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Dotieren des Festkörperelektrolyten verwendete Metall zum Metall der reaktiven Elektrode gleich ist. The memory element of claim 11, characterized in that the metal used for doping the solid electrolyte to the metal of the reactive electrode is the same.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Speicherelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches die folgenden Schritte umfasst: – Aufbringen eines ersten inerten Elektrodenmaterials auf ein Substrat und Strukturierung des inerten Elektrodenmaterials zur Herstellung einer inerten Elektrode; A process for producing a storage element according to any one of the preceding claims, comprising the following steps: - application of a first inert electrode material on a substrate and structuring of the inert electrode material for producing an inert electrode; – Aufbringen einer Nanopartikel enthaltenden Lösung auf die inerte Elektrode und Trocknen der Lösung zur Herstellung einer Nanopartikelstruktur auf der inerten Elektrode; - applying a nanoparticle-containing solution onto the inert electrode, and drying the solution to produce a nanoparticle structure on the inert electrode; – Abscheidung eines Festköperelektrolyten auf der Nanopartikelstruktur; - deposition of a solid-state electrolyte on the nanoparticle structure; und – Abscheiden eines reaktiven Elektrodenmaterials auf dem Festkörperelektrolyten und Strukturierung des inerten Elektrodenmaterials zur Herstellung der reaktiven Elektrode. and - depositing a reactive electrode material on the solid electrolyte and structuring of the inert electrode material for the preparation of the reactive electrode.
  14. Speicherzellen-Anordnung mit wenigstens einer ein Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 umfassenden Speicherzelle. Memory cell array having at least one a memory element according to any one of the preceding claims 1 to 12 comprising memory cell.
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